En los últimos años del siglo XIX, Planck estaba investigando el problema de la radiación de cuerpo negro planteado por primera vez por Kirchhoff unos cuarenta años antes. Es bien sabido que los objetos calientes brillan y que los más calientes brillan más que los más fríos. La razón es que el campo electromagnético obedece las leyes del movimiento al igual que una masa en un resorte, y puede llegar al equilibrio térmico con átomos calientes. Cuando un objeto caliente está en equilibrio con la luz, la cantidad de luz que absorbe es igual a la cantidad de luz que emite. Si el objeto es negro, lo que significa que absorbe toda la luz que lo golpea, entonces también emite la cantidad máxima de luz térmica.
La suposición de que la radiación del cuerpo negro es térmica conduce a una predicción precisa: la cantidad total de energía emitida aumenta con la temperatura de acuerdo con una regla definida, la ley de Stefan-Boltzmann (1879-1884). Pero también se sabía que el color de la luz emitida por un objeto caliente cambia con la temperatura, por lo que el “calor blanco” es más intenso que el “calor rojo”. Sin embargo, Wilhelm Wien descubrió la relación matemática entre los picos de las curvas a diferentes temperaturas, utilizando el principio de invariancia adiabática. A cada temperatura diferente, la curva es desplazada por la ley de desplazamiento de Viena (1893). Wien también propuso una aproximación para el espectro del objeto, que era correcta a altas frecuencias (longitud de onda corta) pero no a frecuencias bajas (longitud de onda larga). [5] Todavía no estaba claro por qué el espectro de un objeto caliente tenía la forma que tiene.
Planck planteó la hipótesis de que las ecuaciones de movimiento para la luz describen un conjunto de osciladores armónicos, uno para cada frecuencia posible. Examinó cómo la entropía de los osciladores variaba con la temperatura del cuerpo, tratando de igualar la ley de Wien, y fue capaz de derivar una función matemática aproximada para el espectro del cuerpo negro. [6]
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Sin embargo, Planck pronto se dio cuenta de que su solución no era única. Hubo varias soluciones diferentes, cada una de las cuales dio un valor diferente para la entropía de los osciladores. [6] Para salvar su teoría, Planck tuvo que recurrir al uso de la entonces controvertida teoría de la mecánica estadística, [6] que describió como “un acto de desesperación … Estaba listo para sacrificar cualquiera de mis convicciones anteriores sobre la física”. [7] Uno de sus nuevas condiciones de frontera fue:
interpretar U N [ la energía vibracional de N osciladores ] no como una cantidad continua, infinitamente divisible, sino como una cantidad discreta compuesta de un número entero de partes iguales finitas. Llamemos a cada una de esas partes el elemento de energía ε;
—Planck, sobre la ley de distribución de energía en el espectro normal [6]
Con esta nueva condición, Planck había impuesto la cuantificación de la energía de los osciladores, ” una suposición puramente formal … en realidad no pensé mucho en eso … ” en sus propias palabras, [8] pero que revolucionaría la física. La aplicación de este nuevo enfoque a la ley de desplazamiento de Wien mostró que el “elemento de energía” debe ser proporcional a la frecuencia del oscilador, la primera versión de lo que ahora se denomina a veces la “relación de Planck-Einstein”:
Planck pudo calcular el valor de h a partir de datos experimentales sobre radiación de cuerpo negro. Su resultado, 6.55 × 10−34 J⋅s, está dentro del 1.2% del valor actualmente aceptado. [6] También pudo hacer la primera determinación de la constante de Boltzmann [math] k_B [/ math] a partir de los mismos datos y teoría. [9]
El problema del cuerpo negro fue revisado en 1905, cuando Rayleigh y Jeans (por un lado) y Einstein (por otro lado) demostraron de forma independiente que el electromagnetismo clásico nunca podría explicar el espectro observado. Estas pruebas se conocen comúnmente como la “catástrofe ultravioleta”, un nombre acuñado por Paul Ehrenfest en 1911. Contribuyeron en gran medida (junto con el trabajo de Einstein sobre el efecto fotoeléctrico) a convencer a los físicos de que el postulado de Planck de niveles de energía cuantificados fue más que una simple matemática formalismo. La primera Conferencia de Solvay en 1911 se dedicó a “la teoría de la radiación y los cuantos”. [10] Max Planck recibió el Premio Nobel de Física de 1918 “en reconocimiento de los servicios que prestó al avance de la Física por su descubrimiento de los cuantos de energía”.
Fuente: constante de Planck – Wikipedia, la enciclopedia libre
